В течение нескольких месяцев Пий X смог убедиться в правильности своего выбора. 18 октября 1903 г. папа объявил о грядущем возведении Рафаэля Мерри дель Валя в кардинальское достоинство и об официальном назначении его на должность государственного секретаря. На тайной консистории 9 ноября 1903 г. Рафаэль Мерри дель Валь был возведён в достоинство кардинала-пресвитера, 12 ноября получил знаки кардинальского достоинства, ему был пожалован титулярный храм святой Пракседы (Санта-Прасседе) близ базилики Санта-Мария-Маджоре. В этот же день он официально стал государственным секретарём и занимал эту должность вплоть до смерти папы Пия Х (20 августа 1914 г.). Он был самым молодым за всю историю государственным секретарём Папского престола и первым за всю историю папства не итальянцем, возглавившим это ведомство (вторым был французский кардинал Жан Вийо, государственный секретарь Ватикана в 1969–1979 гг.). Рафаэль Мерри дель Валь стал также префектом Лоретанской конгрегации, председателем комиссии по управлению имуществом Папского престола и префектом Апостольского дворца. С возведением в кардинальское достоинство он вошёл в состав ряда дикастерий Римской курии: верховной Конгрегации Sanctum Officium, Конгрегации Собора, Конгрегации обрядов, Конгрегации чрезвычайных церковных дел, Конгрегации образования. 1 января 1904 г. стал членом папской Библейской комиссии, а в апреле того же года – созданной Пием X папской комиссии по кодификации канонического права. После куриальной реформы 1908 г. к прежним обязанностям Рафаэля Мерри дель Валя была добавлена ещё одна: он был назначен членом консисториальной конгрегации (20 октября 1908 г.). Как куриальный кардинал Рафаэль Мерри дель Валь был протектором многих институтов посвящённой жизни и других учреждений. Серьёзные внешнеполитические проблемы в понтификат Пия Х возникли во взаимоотношениях с Францией, провозгласившей отделение церкви от государства, с Италией в связи с «римским вопросом», с Португалией, где антиклерикальное правительство начало гонения на католическую церковь, с Россией и с Мексикой, в которых назревали революционные события. Рафаэль Мерри дель Валь был активным противником признания церковью нового французского закона о «культовых союзах» (см. в ст. « Vehementeer nos»), поддержанного большинством французских епископов и являвшегося компромиссным соглашением с властью. Вдохновлённый кардиналом папа Римский Пий Х энцикликой «Gravissimo officii munere» от 10 августа 1906 г. отклонил возможность какого бы то ни было компромисса. Согласно конвенции между Папским престолом и Конго, посвящённой порядку миссионерского служения на территории этого государства (подписана в 1906 г. стараниями Рафаэля Мерри дель Валя), светские власти обязывались создавать католическим миссиям необходимые условия для осуществления их деятельности в обмен на открытие школ и просветительскую работу среди местного населения. 22(9) июля 1907 г. с правительством Российской империи было заключено соглашение, определившее нормы преподавания русского языка, литературы и истории в католических семинариях в Польше. 24 июня 1914 г. от имени Папского престола Рафаэль Мерри дель Валь подписал конкордат с Сербией, означавший значительный успех возглавляемой кардиналом папской дипломатии.